EP1800061A1 - Brenner für fluidische brennstoffe und verfahren zum betreiben eines derartigen brenners - Google Patents

Brenner für fluidische brennstoffe und verfahren zum betreiben eines derartigen brenners

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EP1800061A1
EP1800061A1 EP05797157A EP05797157A EP1800061A1 EP 1800061 A1 EP1800061 A1 EP 1800061A1 EP 05797157 A EP05797157 A EP 05797157A EP 05797157 A EP05797157 A EP 05797157A EP 1800061 A1 EP1800061 A1 EP 1800061A1
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EP
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fuel
gas
mixing
liquid
burner
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Bernd Prade
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/286—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply having fuel-air premixing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03343—Pilot burners operating in premixed mode

Definitions

  • the present invention relates to a burner for fluid ⁇ cal fuels, which is in particular to operate either with a gaseous or liquid fuel as a fluid fuel and in the prior to burning of the fluid fuel, a mixing of the fluid fuel takes place with an oxidizing agent. Moreover, the present invention relates to a method of operating such a burner.
  • the inventive burner and he ⁇ -making modern methods are particularly suitable for use in gas turbine plants.
  • an air-fuel mixture is burned in a combustion chamber, the exhaust gases enabling the turbine of the gas turbine plant in rotation and as the ther- mal energy of the combustion process into mechanical energy convert ⁇ Ener.
  • the combustion chamber is equipped with burners. The burners mix the fuel with the air and burn the mixture.
  • Nitrogen oxides are formed during the combustion process essentially by the fact that molecular oxygen and molecular nitrogen are split and the atomic Oxygen or the atomic nitrogen then rea ⁇ giert with molecular nitrogen or molecular oxygen to nitrogen oxides.
  • the burner described in DE 42 12 810 can be operated in premix mode both with liquid fuels and with gaseous fuels.
  • it comprises at least one opening into the air supply channel of the burner internal ⁇ fuel line for liquid fuel and at least one opening into the air supply duct for fuel line gasförmi ⁇ gen fuel.
  • the fuel lines are each associated with outlet ⁇ openings through which the respective fuel can be injected into the air stream leading to the burner.
  • outlet ports are such to the reasonable supplied by means of the per ⁇ patented fuel lines fuel fits that it is well mixed with the Ver ⁇ combustion air flowing to the burner.
  • the first object is achieved by a method for operating a fluid fuel burner according to claim 1 and the second object by a fluid fuel burner according to claim 6.
  • the dependent claims contain advantageous developments of the invention.
  • the oxidizing agent any agent capable of oxidizing the fuel, particularly, for example, air, is suitable.
  • the method according to the invention can in particular also be designed such that optionally liquid fuels, ie all combustible liquids such as crude oil, methanol, etc., or gaseous fuels, ie all combustible gases such as natural gas, coal gas, propane gas,
  • Methane gas, etc. can be used as a fluid fuel.
  • the inventive method is characterized in that a-find as a fluidic fuel using a liquid fuel prior to mixing with the oxidizing agent is mixed with a gaseous or vaporous carrier stream and for mixing the fluid fuel with the Oxidati ⁇ onsstoff mixing of the liquid fuel contained ⁇ the carrier stream is carried out with the oxidizing agent.
  • the inventive method makes it possible for the mixing of the fuel with the oxidizing agent - ie for Mi ⁇ rule of the fuel-containing carrier stream with the Oxidizing agent - to use the same nozzle system, which is also used when mixing a gaseous fuel with the Oxi ⁇ dationsffen.
  • Separate supply ports takes place for feeding of the liquid fuel into the mixing region, so in that region in which the mixing of the Brennstof ⁇ fes with the oxidizing agent, need not be hands before ⁇ .
  • the structural design of the burner can therefore be simplified in particular in the field of fuel supply channels.
  • the carrier stream is largely free of molecular oxygen during combustion due to the carrier stream. Especially before ⁇ geous it is when the carrier flow at all does not contain molecular-molecular oxygen.
  • gas or vapor for the Trä ⁇ gerstrom are in particular molecular nitrogen or water vapor.
  • mixing of the liquid fuel with the carrier stream can take place by injecting the liquid fuel into the carrier stream.
  • injecting a fine atomization of the liquid fuel is carried out in the carrier stream.
  • a fluid fuel burner according to the invention in which, prior to the burning of the fluid fuel, a microfluidic See that the fluidic fuel is carried out with an oxidizing agent and in particular also can be configured so that it is to be operated optionally with a gaseous or a liquid fuel as a fluid fuel, summarized
  • a mixing passage communicating directly or indirectly with the fuel supply for supplying liquid fuels, the gas supply and the oxidant supply, in which the fluidic fuel is mixed with the oxidizing agent.
  • the burner according to the invention is characterized in that the fuel supply for supplying liquid fuels and the gas supply are arranged relative to each other so that prior to the entry of a liquid fuel in the mixing passage ⁇ mixing of the liquid fuel with a means of the gas supply gas supplied or vapor carrier stream can take place.
  • the gas supply thus serves both to supply a gaseous fuel (when the burner is operated with a gaseous fuel) and to supply an inert gaseous or vaporous medium, which forms the gaseous or vaporous carrier stream (if the burner is operated with a liquid fuel).
  • the burner according to the invention allows, in particular, egg NEN liquid fuel to mix and then deliver this mixture for mixing with the oxidation ⁇ middle of the mixing passage prior to entering into the mixing passage with a gaseous or vaporous carrier stream.
  • the number of supply lines and in particular the number of inlet openings in the mixing passage can be reduced, since the same inlet openings to the mixed passage for the gaseous fuel as for the liquid fuel can be used (in the carrier stream) NEN.
  • Separate inlet openings for liquid fuels can therefore be omitted in the burner according to the invention.
  • Insbe ⁇ sondere ensure the con- zip convinced for the gaseous fuel inlet openings and a high spatial Mi ⁇ research potential for mixing of the liquid Brennstof ⁇ fes carrier containing stream with the oxidant.
  • the fuel supply for the liquid fuel via one or more atomizers, for example. Injectors, opens into the gas supply.
  • the atomizers allow atomization of the liquid fuel when it is introduced into the carrier stream.
  • the sputtering leads to a good mixing and also facilitates evaporation of the liquid fuel due to the small dimensions of the fuel droplets formed during sputtering. Overall, the maximum possible combustion temperature and thus the NO x emissions can be reduced.
  • the gas supply can flow into the mixing passage via a gas nozzle system.
  • the gas nozzle system can be spatially very well mixed with the oxidizing agent the gasför ⁇ -shaped fuel or the carrier flow with the liquid fuel material.
  • swirl vanes for swirling the oxidizing agent may be present, which have cavities in communication with the gas supply. Wenigs ⁇ least part of the opening into the mixing passages gas nozzles of the gas nozzle system is in this case with the cavities of Swirl blades and thus connected to the gas supply.
  • the fuel may in particular so in the shovels by means of the swirl generated ⁇ swirl zone are introduced to give the Mi ⁇ rule of the fuel with the oxidant promotes.
  • nozzle pipes may also be present in the region of the mixing passage which have cavities connected to the gas supply. At least some of the gas nozzles of the gas nozzle system which open into the mixing passage are then in communication with the gas supply via the cavities of the nozzle tubes.
  • FIG 1 shows a first embodiment of a burner OF INVENTION ⁇ to the invention in a schematic Darstel ⁇ lung.
  • FIG 2 shows a second embodiment of a burner OF INVENTION ⁇ to the invention in a schematic Darstel ⁇ lung.
  • FIG 1 A first embodiment of the burner according to the invention is shown in FIG 1 in a sectional view.
  • the burner according to the invention comprises an internal burner system 1, which is referred to in the following pilot burner system 1, and a main burner system 3 concentrically arranged around the pilot burner system 1.
  • the pilot burner system 1 comprises an internal liquid fuel supply channel 5, an internal gas supply channel 7 for gaseous fuels and one ⁇ ren air supply channel 9.
  • the inner gas supply channel 7 is here arranged concentrically around the inner supply channel 5 for the liquid fuels around.
  • the inner air supply passage 9 is arranged concentrically around the inner gas supply passage 7.
  • the inner supply channel 5 for liquid fuels flows through a nozzle 11 into the combustion chamber 13.
  • the inner gas supply channel 7 opens via outlet openings 15 in the air supply channel 9, in which swirl blades 17 are arranged, which is responsible for a swirling of the gas in the air resulting air-gas mixture and thus ensure good Vermi ⁇ tion of the two components.
  • a suitable ignition system may be arranged, which is not shown here.
  • the pilot burner system 1 serves to maintain a stability of the burner flame supporting pilot flame and allows in principle the operation of the burner as diffusi ⁇ onsbrenner or rich (fuel-rich) premixed burner, but this is not used for reasons of emissions in general.
  • the main burner system 3 arranged concentrically around the pilot burner system 1 comprises a gas supply channel 31, one or more supply channels 33 for supplying a liquid fuel and at least one air supply channel 35 as oxidant supply channel.
  • a gas supply channel 31 one or more supply channels 33 for supplying a liquid fuel and at least one air supply channel 35 as oxidant supply channel.
  • the oxidizing agent is used in the present embodiment, air.
  • the liquid fuel supply channel opens into the gas supply channel 31 via nozzles 43.
  • swirl blades 37 are arranged, which provide for a swirling of the air flow flowing through the air supply passage 35 in the direction of the combustion chamber 13. This part of the air supply channel 35 forms a mixing passage for Mi ⁇ rule of fuel with air as the oxidant.
  • the swirl blades 37 are at least partially hollow out ⁇ forms.
  • the cavities of the swirl vanes 37 are connected via openings 39 to the outer gas supply channel 31.
  • the swirl blades 37 have outlet openings 41, through which a gas supplied via the gas supply channel 31 can enter into the air supply channel 35.
  • the outlet openings 41 are formed as nozzles and arranged on ⁇ order that the gas passes together with the air at least a portion of the swirl blades 37 and is swirled so as to achieve a good mixing with the air.
  • a supply gasför ⁇ -shaped fuel for example natural gas takes place, through the outer gas supply duct 31 into the air supply channel 35.
  • the arranged in the air supply passage 35 swirl vanes 37 help to create a mixture of the gaseous fuel with the air so that the burner is to be operated in premix mode.
  • the burner is to be operated with a liquid fuel, for example fuel oil, then the liquid
  • a supply of an inert gas for example, molecular nitrogen, or the supply of a vapor, such as water vapor.
  • Zerstäu ⁇ ben of the liquid fuel during injection into the Gaszu ⁇ drove channel 31 creates a gas-liquid mixture with the finely divided liquid droplets.
  • the droplets of liquid fuel evaporate at least in part, so that part of the fuel after atomization into the gas supply channel 31 is in the gas phase.
  • the passage of the liquid fuel ⁇ substance in the gas phase can be promoted by preheating the inert gas supplied ⁇ led or of the supplied steam and / or the fuel. In this way, complete vaporization of the atomized liquid fuel can also be achieved. Preheating the carrier medium to a defined temperature can also be used to control the mixing quality of the mixture via the pulse.
  • the inert gas or the steam serves as a carrier stream for the droplets of the liquid fuel or the transition into the gas phase liquid fuel.
  • the fuel contained ⁇ tend carrier stream then flows as a gaseous fuel through the openings 39 into the cavities of the twist scoops 37 and is injected from there through the outlet openings 41 in the air supply duct 35th
  • the swirl vanes 37 thereby ensure a turbulence of the carrier flow with the air and thus for a good mixing of the fuel contained in the carrier stream with the air as the oxidant.
  • the burner can therefore also be operated in pre-mix mode when operating with liquid fuel.
  • the fuel is injected into the air supply channel 35 independently of the type of fuel, ie regardless of whether a liquid fuel or a gaseous fuel is used, by means of the outlet openings 41, which have hitherto been used were used only for injecting gaseous fuel.
  • a liquid fuel is previously injected via the nozzles 43 into a carrier stream, which is supplied via the gas supply channel 31.
  • the liquid fuel is then taken up as vaporized fuel or as finely divided fuel in the form of suspended droplets from the carrier stream and injected through the outlet openings 41 into the air supply channel 35.
  • An additional outlet or inlet nozzle for supplying liquid fuel into the AIR SUPPLY ⁇ drove channel 35 is in the burner according to the invention therefore not nö ⁇ tig.
  • FIG. 2 A second embodiment of the burner according to the invention is shown in FIG.
  • the burner shown in FIG. 2 differs from the burner shown in FIG. 1 only in that the swirl blades 137 have no cavities.
  • sen ie the swirl vanes 137 are not formed as hollow blades, and that nozzle tubes 139 are arranged in the air inlet passage 35.
  • the nozzle tubes 139 are formed as hollow tubes ⁇ and border with an open end 143 to an outlet opening 145 of the gas supply channel 31 at.
  • Each of the SI ⁇ senrohre 139 includes a number of nozzles 141 through which a 139 supplied gaseous fuel is injected into the air supply duct 35 via the gas supply passage 31 and the cavity of the nozzle tubes when the burner with gaseous fuel material is operated.
  • a carrier stream with finely distributed fuel droplets or vaporized fuel is injected into the air supply channel 35 in an analogous manner.
  • the injection of the liquid fuel into the carrier stream is carried out so as wor ⁇ is described with reference to FIG. 1

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Abstract

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe erfolgt vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein als fluidischer Brennstoff Verwendung findender flüssiger Brennstoff vor dem Mischen mit dem Oxidationsmittel mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom gemischt wird und zum Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel ein Mischen des den flüssigen Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel erfolgt.

Description

Beschreibung
Brenner für fluidische Brennstoffe und Verfahren zum Betrei¬ ben eines derartigen Brenners
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für fluidi¬ sche Brennstoffe, welcher insbesondere wahlweise mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff als fluidischem Brennstoff zu betreiben ist und in dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brenn¬ stoffes mit einem Oxidationsmittel erfolgt. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brenners. Der erfindungsgemäße Brenner und das er¬ findungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zum Einsatz in Gasturbinenanlagen.
In einer Gasturbinenanlage wird in einer Brennkammer ein Luft-Brennstoffgemisch verbrannt, dessen Abgase die Turbine der Gasturbinenanlage in Rotation versetzen und so die ther- mische Energie des Verbrennungsprozesses in mechanische Ener¬ gie umwandeln. Zum Verbrennen des Luft-Brennstoffgemisches ist die Brennkammer mit Brennern ausgestattet. Die Brenner sorgen für eine Mischung des Brennstoffes mit der Luft sowie für ein Verbrennen des Gemisches.
Um die Versorgungssicherheit und die Flexibilität einer Gas¬ turbinenanlage sicherzustellen, sind heutzutage Brenner im Einsatz, welche sowohl mit gasförmigen Brennstoffen als auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden können. Ein sol- eher Brenner ist beispielsweise in DE 42 12 810 Al offenbart.
Im Hinblick auf die allgemeinen Bemühungen zum Senken des Schadstoffausstoßes von Gasturbinen ist man bemüht, das Ent¬ stehen von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden (NOx) zu vermeiden. Die Stickoxide entstehen beim Verbrennungspro- zess im Wesentlichen dadurch, dass molekularer Sauerstoff und molekularer Stickstoff aufgespalten werden und der atomare Sauerstoff bzw. der atomare Stickstoff dann mit molekularem Stickstoff bzw. molekularem Sauerstoff zu Stickoxiden rea¬ giert .
Um insbesondere im Hochlastbereich die Menge der gebildeten Stickoxide gering zu halten, werden moderne Gasturbinenanla¬ gen im sogenannten Vormischmodus betrieben. Dies bedeutet, dass der Brennstoff bereits vor dem Entzünden mit der Luft gemischt wird. Im Unterschied dazu steht der Diffusionsmodus, in welchem einem brennendem Luft-Brennstoffgemisch kontinu¬ ierlich Frischluft zugeführt und Brennstoff nachgespritzt wird. Das Mischen des Brennstoffes mit der Luft erfolgt hier¬ bei erst beim Verbrennen. Der Diffusionsmodus kommt im We¬ sentlichen im Niedriglastbetrieb und beim Anfahren von Gas- turbinenanlagen zur Anwendung. Die verschiedenen Betriebszu- stände einer Gasturbinenanlage sind beispielsweise in M. J. Moore ,,NOx emission control in gas turbines for combined cyc- Ie gas turbine plant" in Proc Instn Mech Engrs VoI 211, Part A, 43-52. Darin ist auch beschrieben, dass in Gasturbinenan- lagen zur Reduktion des Schadstoffausstoßes in bestimmten Be- triebszuständen Inertstoffe, bspw. Wasser oder Wasserdampf, dem Verbrennungsgemisch zugeführt werden können. Das Wasser bzw. der Wasserdampf senkt dann die Verbrennungstemperatur, was ebenfalls eine Verringerung der Mange an Stickoxiden zur Folge hat.
Der in DE 42 12 810 beschriebene Brenner kann im Vormischmo¬ dus sowohl mit flüssigen Brennstoffen als auch mit gasförmi¬ gen Brennstoffen betrieben werden. Dazu umfasst er mindestens eine in den Luftzufuhrkanal des Brenners einmündende Brenn¬ stoffleitung für flüssigen Brennstoff und mindestens eine in den Luftzufuhrkanal mündende Brennstoffleitung für gasförmi¬ gen Brennstoff. Den Brennstoffleitungen sind jeweils Auslass¬ öffnungen zugeordnet, durch die der jeweilige Brennstoff in den zum Brenner führenden Luftstrom eingedüst werden kann.
Die Auslassöffnungen sind dabei derart an den mittels der je¬ weiligen Brennstoffleitungen zugeführten Brennstoff ange- passt, dass dieser gut mit der zum Brenner strömenden Ver¬ brennungsluft vermischt wird.
Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Brenners sowie einen vorteilhaften Brenner zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe nach Anspruch 1 und die zweite Aufgabe durch einen Brenner für fluidische Brennstoffe nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe erfolgt vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brenn¬ stoffes mit einem Oxidationsmittel, d.h. die Verbrennung er¬ folgt im Vormischmodus . Als Oxidationsmittel ist jedes Mittel geeignet, welches zum Oxidieren des Brennstoffes in der Lage ist, insbesondere bspw. Luft. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch so ausgestaltet sein, dass wahlweise flüssige Brennstoffe, d.h. alle brennbaren Flüssigkeiten wie etwa Erdöl, Methanol, etc., oder gasförmige Brennstoffe, d.h. alle brennbaren Gase wie etwa Erdgas, Kohlegas, Propangas,
Methangas, etc., als fluidischer Brennstoff Verwendung finden können. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein als fluidischer Brennstoff Verwendung findender flüssiger Brennstoff vor dem Mischen mit dem Oxidationsmittel mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom gemischt wird und zum Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidati¬ onsmittel ein Mischen des den flüssigen Brennstoff enthalten¬ den Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, für das Mischen des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel - d.h. für das Mi¬ schen des den Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel - dasselbe Düsensystem zu verwenden, welches auch beim Mischen eines gasförmigen Brennstoffes mit dem Oxi¬ dationsmittel Verwendung findet. Gesonderte Zufuhröffnungen zum Zuführen des flüssigen Brennstoffes in den Mischbereich, also in denjenigen Bereich, in dem das Mischen des Brennstof¬ fes mit dem Oxidationsmittel stattfindet, brauchen nicht vor¬ handen zu sein. Die konstruktive Ausgestaltung des Brenners kann daher insbesondere im Bereich der Brennstoffzufuhrkanäle vereinfacht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn vor dem Mischen des flüs¬ sigen Brennstoffes mit dem Trägerstrom eine Überhitzung des Trägerstromes herbeigeführt wird, da dadurch ein Verdampfen des flüssigen Brennstoffes erleichtert wird. Ein dampfförmi- ger Brennstoff lässt sich besonders gut mittels der für den gasförmigen Brennstoff vorgesehenen Zufuhröffnungen mit dem Oxidationsmittel mischen. Außerdem können Spitzentemperaturen so beim Verbrennen können besser vermieden werden.
Um eine Beeinflussung des Brennstoff-Oxidationsmittel-
Verhältnisses bei der Verbrennung durch den Trägerstrom zu unterdrücken, ist es vorteilhaft, wenn der Trägerstrom weit¬ gehend von molekularem Sauerstoff frei ist. Besonders vor¬ teilhaft ist es, wenn der Trägerstrom überhaupt keinen mole- kularen Sauerstoff enthält. Als Gas oder Dampf für den Trä¬ gerstrom eignen sich insbesondere molekularer Stickstoff oder Wasserdampf.
Um eine gute Vermischung des flüssigen Brennstoffes mit dem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom zu erzielen, kann das Mi¬ schen des flüssigen Brennstoffes mit dem Trägerstrom durch ein Eindüsen des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom erfolgen. Beim Eindüsen erfolgt ein feines Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom.
Ein erfindungsgemäßer Brenner für fluidische Brennstoffe, in dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mi- sehen des fluidischen Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel erfolgt und der insbesondere auch so ausgestaltet sein kann, dass er wahlweise mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Brennstoff als fluidischem Brennstoff zu betreiben ist, um- fasst
- eine Brennstoffzufuhr für flüssige Brennstoffe,
- eine Gaszufuhr,
- ein Oxidationsmittelzufuhr und
- eine mit der Brennstoffzufuhr zum Zuführen flüssiger Brenn- Stoffe, der Gaszufuhr und der Oxidationsmittelzufuhr mittel¬ bar oder unmittelbar in Verbindung stehende Mischpassage, in der ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidati¬ onsmittel erfolgt .
Der erfindungsgemäße Brenner zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennstoffzufuhr zum Zuführen flüssiger Brennstoffe und die Gaszufuhr derart relativ zueinander angeordnet sind, dass vor dem Eintritt eines flüssigen Brennstoffes in die Misch¬ passage ein Mischen des flüssigen Brennstoffes mit einem mit- tels der Gaszufuhr zugeführten gas- oder dampfförmigen Trä¬ gerstrom erfolgen kann. Im erfindungsgemäßen Brenner dient die Gaszufuhr also sowohl zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffes (wenn der Brenner mit einem gasförmigen Brenn¬ stoff betrieben wird) als auch zum Zuführen eines inerten gas- oder dampfförmigen Mediums, welches den gas- oder dampf¬ förmigen Trägerstrom bildet (wenn der Brenner mit einem flüs¬ sigen Brennstoff betrieben wird) .
Der erfindungsgemäße Brenner ermöglicht es insbesondere, ei- nen flüssigen Brennstoff vor dem Eintritt in die Mischpassage mit einem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom zu mischen und dieses Gemisch anschließend zum Mischen mit dem Oxidations¬ mittel der Mischpassage zuzuführen. Mit der beschriebenen Ausgestaltung des Brenners lässt sich die Zahl der Zufuhrlei- tungen und insbesondere die Zahl der Eintrittsöffnungen in die Mischpassage vermindern, da dieselben Eintrittsöffnungen zur Mischpassage für den gasförmigen Brennstoff wie für den flüssigen Brennstoff (im Trägerstrom) Verwendung finden kön¬ nen. Gesonderte Eintrittsöffnungen für flüssige Brennstoffe können im erfindungsgemäßen Brenner daher wegfallen. Insbe¬ sondere gewährleisten die für den gasförmigen Brennstoff kon- zipierten Eintrittsöffnungen auch ein hohes räumliches Mi¬ schungspotential für das Mischen des den flüssigen Brennstof¬ fes enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidationsmittel.
Wenn das Gas bzw. der Dampf des Trägerstroms überhitzt ist, so erleichtert dies ein teilweises oder vollständiges Ver¬ dampfen des flüssigen Brennstoffes, wodurch sich Spitzentem¬ peraturen besser vermeiden lassen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bren- ners mündet die Brennstoffzufuhr für den flüssigen Brennstoff über einen oder mehrere Zerstäuber, bspw. Einspritzdüsen, in die Gaszufuhr. Die Zerstäuber ermöglichen ein Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes bei seinem einbringen in den Träger¬ strom. Das Zerstäuben führt zu einer guten Vermischung und erleichtert außerdem aufgrund der geringen Abmessungen der beim Zerstäuben entstehenden Brennstofftröpfchen das Verdamp¬ fen des flüssigen Brennstoffes. Insgesamt kann so die maximal mögliche Verbrennungstemperatur- und damit der NOx-Ausstoß vermindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bren¬ ners kann die Gaszufuhr über ein Gasdüsensystem in die Misch¬ passage münden. Mittels des Gasdüsensystems kann der gasför¬ mige Brennstoff oder der Trägerstrom mit dem flüssigen Brenn- Stoff räumlich sehr gut mit dem Oxidationsmittel vermischt werden.
Im Bereich der Mischpassage können Drallschaufeln zum Verwir- beln des Oxidationsmittels vorhanden sein, welche mit der Gaszufuhr in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen. Wenigs¬ tens ein Teil der in die Mischpassagen mündenden Gasdüsen des Gasdüsensystems ist in diesem Fall mit den Hohlräumen der Drallschaufeln und damit mit der Gaszufuhr verbunden. Der Brennstoff kann so insbesondere in die mittels der Drall¬ schaufeln erzeugte Wirbelzone eingebracht werden, was das Mi¬ schen des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel fördert.
Alternativ können im Bereich der Mischpassage auch Düsenrohre vorhanden sein, welche mit der Gaszufuhr in Verbindung ste¬ hende Hohlräume aufweisen. Wenigstens ein Teil der in die Mischpassage mündenden Gasdüsen des Gasdüsensystems steht dann über die Hohlräume der Düsenrohre mit der Gaszufuhr in Verbindung.
Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl Drallschaufeln mit Gasdüsen als auch Röhrchen mit Gasdüsen im Bereich der Mischpassage anzuordnen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden FIGen.
FIG 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfin¬ dungsgemäßen Brenner in einer schematischen Darstel¬ lung. FIG 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfin¬ dungsgemäßen Brenner in einer schematischen Darstel¬ lung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner ist in FIG 1 in einer Schnittansicht dargestellt. Der erfindungsgemäße Brenner umfasst ein inneres Brennersystem 1, welches im folgenden Pilotbrennersystem 1 genannt wird, sowie ein konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 angeordnetes Hauptbrennersystem 3. Das Pilotbrennersystem 1 umfasst einen inneren Zufuhrkanal 5 für flüssige Brennstoffe, einen inneren Gaszufuhrkanal 7 für gasförmige Brennstoffe sowie einen inne¬ ren Luftzufuhrkanal 9. Der innere Gaszufuhrkanal 7 ist dabei konzentrisch um den inneren Zufuhrkanal 5 für die flüssigen Brennstoffe herum angeordnet. Der innere Luftzufuhrkanal 9 ist konzentrisch um den inneren Gaszufuhrkanal 7 herum ange¬ ordnet .
Der innere Zufuhrkanal 5 für flüssige Brennstoffe mündet über eine Düse 11 in die Brennkammer 13. Der innere Gaszufuhrkanal 7 mündet über Austrittsöffnungen 15 in den Luftzufuhrkanal 9, in welchem Drallschaufeln 17 angeordnet sind, die für eine Verwirbelung des durch den Eintritt des Gases in die Luft entstehenden Luft-Gasgemisches und damit für eine gute Vermi¬ schung der beiden Komponenten sorgen. Im oder am inneren Luftzufuhrkanal 9 kann ein geeignetes Zündsystem angeordnet sein, welches hier nicht dargestellt ist.
Das Pilotbrennersystem 1 dient der Aufrechterhaltung einer die Stabilität der Brennerflamme unterstützenden Pilotflamme und erlaubt prinzipiell den Betrieb des Brenners als Diffusi¬ onsbrenner oder fett (brennstoffreich) vorgemischtem Brenner, was jedoch aus Gründen des Schadstoffausstoßes im Allgemeinen nicht ausgenutzt wird.
Das konzentrisch um das Pilotbrennersystem 1 herum angeordne¬ te Hauptbrennersystem 3 umfasst einen Gaszufuhrkanal 31, ei- nen oder mehrere Zufuhrkanäle 33 zum Zuführen eines flüssigen Brennstoffes sowie mindestens einen Luftzufuhrkanal 35 als Oxidationsmittelzufuhrkanal. Als Oxidationsmittel dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel Luft. Der Zufuhrkanal für flüssigen Brennstoff mündet über Düsen 43 in den Gaszufuhrka- nal 31.
Im Luftzufuhrkanal 35 sind Drallschaufeln 37 angeordnet, die für eine Verwirbelung des durch den Luftzufuhrkanal 35 in Richtung Brennkammer 13 strömenden Luftstroms sorgen. Dieser Teil des Luftzufuhrkanals 35 bildet eine Mischpassage zum Mi¬ schen des Brennstoffes mit der Luft als Oxidationsmittel. Die Drallschaufeln 37 sind wenigstens teilweise hohl ausge¬ bildet. Die Hohlräume der Drallschaufeln 37 stehen über Öff¬ nungen 39 mit dem äußeren Gaszufuhrkanal 31 in Verbindung. An geeigneten Stellen weisen die Drallschaufeln 37 Auslassöff- nungen 41 auf, durch welche ein über den Gaszufuhrkanal 31 zugeführtes Gas in den Luftzufuhrkanal 35 eintreten kann. Die Auslassöffnungen 41 sind als Düsen ausgebildet und derart an¬ geordnet, dass das Gas zusammen mit der Luft noch mindestens einen Teil der Drallschaufeln 37 passiert und so zum Erzielen einer guten Vermischung mit der Luft verwirbelt wird.
Beim Betrieb des Brenners mit Gas erfolgt eine Zufuhr gasför¬ migen Brennstoffes, beispielsweise Erdgas, durch den äußeren Gaszufuhrkanal 31 in den Luftzufuhrkanal 35. Die im Luftzu- fuhrkanal 35 angeordneten Drallschaufeln 37 sorgen dabei für eine Vermischung des gasförmigen Brennstoffes mit der Luft, so dass der Brenner im Vormischbetrieb zu betreiben ist.
Wenn der Brenner mit einem flüssigen Brennstoff, beispiels- weise Heizöl, betrieben werden soll, so wird der flüssige
Brennstoff über den Zufuhrkanal 33 für flüssige Brennstoffe zugeführt und mittels Düsen 43 in den Gaszufuhrkanal 31 zer¬ stäubt. Im Falle des Betriebes mit flüssigem Brennstoff er¬ folgt durch den Gaszufuhrkanal 31 eine Zufuhr eines Inertga- ses, beispielsweise molekularen Stickstoffes, oder die Zufuhr eines Dampfes, beispielsweise Wasserdampf. Durch das Zerstäu¬ ben des flüssigen Brennstoffes beim Einspritzen in den Gaszu¬ fuhrkanal 31 entsteht eine Gas-Flüssigkeits-Mischung mit fein zerteilten Flüssigkeitströpfchen. Die Tröpfchen aus flüssigem Brennstoff verdunsten mindestens zum Teil, so dass ein Teil des Brennstoffes nach dem Zerstäuben in den Gaszufuhrkanal 31 in der Gasphase vorliegt. Der Übertritt des flüssigen Brenn¬ stoffes in die Gasphase kann durch ein Vorheizen des zuge¬ führten Inertgases oder des zugeführten Dampfes und/oder des Brennstoffes gefördert werden. Auf diese Weise kann auch ein vollständiges Verdampfen des zerstäubten flüssigen Brennstof¬ fes erreicht werden. Das Vorheizen des Trägermediums auf eine definierte Temperatur kann außerdem genutzt werden, um die Mischungsgüte der Mischung über den Impuls zu steuern.
Das Inertgas bzw. der Dampf dient als Trägerstrom für die Tröpfchen des flüssigen Brennstoffes bzw. den in die Gasphase übergehenden flüssigen Brennstoff. Der den Brennstoff enthal¬ tende Trägerstrom strömt dann wie ein gasförmiger Brennstoff durch die Öffnungen 39 in die Hohlräume der Drallschaufeln 37 und wird von dort durch die Austrittsöffnungen 41 in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst . Die Drallschaufeln 37 sorgen dabei für eine Verwirbelung des Trägerstroms mit der Luft und so für eine gute Vermischung des im Trägerstrom enthaltenen Brennstoffes mit der Luft als Oxidationsmittel. Der Brenner ist also auch beim Betrieb mit flüssigem Brennstoff im Vor- mischmodus zu betreiben.
Im mit Bezug auf FIG 1 beschriebenen Brenner erfolgt das Ein- düsen des Brennstoffes in den Luftzufuhrkanal 35 unabhängig von der Art des Brennstoffes - d.h. unabhängig davon, ob ein flüssiger Brennstoff oder ein gasförmiger Brennstoff Verwen¬ dung findet - mittels der Austrittsöffnungen 41, die bislang lediglich für das Eindüsen gasförmigen Brennstoffes Verwen¬ dung fanden. Ein flüssiger Brennstoff wird zuvor über die Dü¬ sen 43 in einen Trägerstrom eingedüst, welcher über den Gas- zufuhrkanal 31 zugeführten wird. Der flüssige Brennstoff wird dann als verdampfter Brennstoff oder als in Form von Schwebe¬ tröpfchen fein verteilter Brennstoff vom Trägerstrom aufge¬ nommen und durch die Austrittsöffnungen 41 in den Luftzufuhr¬ kanal 35 eingedüst. Eine zusätzliche Auslassöffnung oder Ein- spritzdüse zum Zuführen flüssigen Brennstoffes in den Luftzu¬ fuhrkanal 35 ist im erfindungsgemäßen Brenner daher nicht nö¬ tig.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brenner ist in FIG 2 gezeigt. Der in FIG 2 gezeigte Brenner unterscheidet sich vom in FIG 1 gezeigten Brenner lediglich dadurch, dass die Drallschaufeln 137 keine Hohlräume aufwei- sen, d.h. die Drallschaufeln 137 sind nicht als Hohlschaufeln ausgebildet, und dass Düsenrohre 139 im Lufteinlasskanal 35 angeordnet sind. Die Düsenrohre 139 sind als Hohlrohre ausge¬ bildet und grenzen mit einer offenen Stirnseite 143 an eine Auslassöffnung 145 des Gaszufuhrkanals 31 an. Jedes der Dü¬ senrohre 139 weist eine Anzahl Düsen 141 auf, über die ein über den Gaszufuhrkanal 31 und den Hohlraum der Düsenrohre 139 zugeführter gasförmiger Brennstoff in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst wird, wenn der Brenner mit gasförmigen Brenn- Stoff betrieben wird. Wird der Brenner hingegen mit einem flüssigen Brennstoff betrieben, so wird in analoger Weise ein Trägerstrom mit fein verteilten Brennstofftröpfchen oder mit verdampftem Brennstoff in den Luftzufuhrkanal 35 eingedüst. Das Eindüsen des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom erfolgt dabei so, wie es mit Bezug auf FIG 1 beschrieben wor¬ den ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brenners für fluidische Brennstoffe, bei dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit ei¬ nem Oxidationsmittel erfolgt d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass ein als fluidischer Brennstoff Verwen¬ dung findender flüssiger Brennstoff vor dem Mischen mit dem Oxidationsmittel mit einem gas- oder dampfförmigen Träger- ström gemischt wird und zum Mischen des fluidischen Brenn¬ stoffes mit dem Oxidationsmittel ein Mischen des den flüssi¬ gen Brennstoff enthaltenden Trägerstroms mit dem Oxidations¬ mittel erfolgt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Mischen des flüssigen Brennstoffes mit dem Träger¬ strom eine Überhitzung des Trägerstromes herbeigeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl des Massenstroms und/oder der Temperatur des
Trägermediums die Mischungsgüte des flüssigen Brennstoffes im Trägerstrom eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich- net, dass das Gas oder der Dampf für den Trägerstrom von mo¬ lekularem Sauerstoff weitgehend frei ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas oder Dampf für den Trägerstrom molekularer Stickstoff bzw. Wasserdampf Verwendung findet.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Mischen des flüssigen Brennstoffes mit dem gas- oder dampfförmigen Trägerstrom ein Zerstäuben des flüssigen Brennstoffes in den Trägerstrom erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fluidischer Brennstoff wahlweise ein flüssiger Brennstoff oder ein gasförmiger Brennstoff Verwen¬ dung finden kann.
8. Brenner für fluidische Brennstoffe, in dem vor dem Verbrennen des fluidischen Brennstoffes ein Mischen des flui¬ dischen Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel erfolgt, mit
- einer Brennstoffzufuhr (33) für flüssige Brennstoffe, - einer Gaszufuhr (31) ,
- einer Oxidationsmittelzufuhr (35) und
- einer mit der Brennstoffzufuhr (33) zum Zuführen flüssiger Brennstoffe, der Gaszufuhr (31) und der Oxidationsmittelzu¬ fuhr (35) mittelbar oder unmittelbar in Verbindung stehende Mischpassage, in der ein Mischen des fluidischen Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel erfolgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Brennstoffzufuhr (33) zum Zuführen flüssiger Brenn¬ stoffe und die Gaszufuhr (31) derart relativ zueinander ange- ordnet sind, dass vor dem Eintritt eines flüssigen Brennstof¬ fes in die Mischpassage ein Mischen des flüssigen Brennstof¬ fes mit einem mittels der Gaszufuhr (31) zugeführten gas- o- der dampfförmigen Trägerstrom erfolgen kann.
9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas bzw. der Dampf des Trägerstroms überhitzt ist.
10. Brenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzufuhr (33) für flüssige Brennstoffe über einen oder mehrere Zerstäuber (43) in die Gaszufuhr (31) mün¬ det.
11. Brenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhr (31) über ein Gasdüsensystem (41; 141) in die Mischpassage mündet.
12. Brenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mischpassage (35) Drallschaufeln (37) vorhanden sind, welche mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen, und dass wenigstens ein Teil der in die Mischpassage mündenden Gasdüsen (41) des Gasdüsensystems über die Hohlräume der Drallschaufeln (37) mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung steht .
13. Brenner nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mischpassage Düsenrohre (139) vorhanden sind, welche mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung stehende Hohlräume aufweisen, und dass wenigstens ein Teil der in die Mischpassage mündenden Gasdüsen (141) des Gasdüsensystems ü- ber die Hohlräume der Düsenrohre (139) mit der Gaszufuhr (31) in Verbindung steht.
14. Brenner nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass er zum wahlweise Betreiben mit einem gas¬ förmigen oder einem flüssigen Brennstoff als fluidischem Brennstoff ausgestaltet ist.
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